Завдання, що ставляться перед фізико-хімічною механікою матеріалів

Розвиток нової техніки викликав необхідність мати дані про механічні властивості старих конструкційних матеріалів в умовах їх експлуатації (тобто в умовах впливу реальних навантажень та робочих середовищ, що мають високі та низькі температури, тиски і швидкості), а також дані для створення нових матеріалів, які задо­вольняють наперед заданим механічним властивостям. Це обумовило появу нового наукового напряму — фізи­ко-хімічної механіки матеріалів.

Пріоритет у виникненні та розвитку фізико-хімічної механіки матеріалів належить Радянському Союзу. У 1928 р. радянський вчений П. О. Ребіндер вперше ви­явив та вивчив явище зниження міцності твердих тіл під впливом адсорбції поверхнево-активних речовин з ото­чуючого середовища, яке дістало назву «ефект Ребіндера» П. О. Ребіндеру належить також і термін «фізико-хімічна механіка матеріалів».

Фізико-хімічна механіка матеріалів займає проміжну область знання між механікою матеріалів, фізикою твер­дого тіла та фізичною хімією, і, базуючись на основних положеннях цих наук, широко використовує термодина­міку, особливо для прогнозування напряму дослідження, хоч з самої назви видно, що кінець кінцем вона займа­ються механікою матеріалів.

Фізико-хімічна механіка матеріалів належить до ма­теріалознавчих наук, тобто до наук технічного профілю. Вона досліджує активацію твердого тіла при деформа­ції для вивчення змін фізико-механічних властивостей металу в середовищі, тоді як механохімія використовує цю активацію для вивчення різних хімічних та електро­хімічних процесів між металом і середовищем.

Фізико-хімічна механіка матеріалів вивчає також вплив зовнішнього середовища на фізико-механічні влас­тивості всіх твердих тіл — як кристалічних, так і аморф­них, як конструкційних матеріалів, так і інших твердих та дисперсних тіл. У зв’язку з величезним обсягом інтере­сів фізико-хімічної механіки вона поділилася на фізико-хімічну механіку металів та фізико-хімічну механіку ін­ших тіл. В цій монографії розглядатимуться лише метали.

Виникає питання, чому фізико-хімічна механіка в першу чергу вивчає саме метали. Це пояснюється тим, що металам, зокрема залізу та сплавам на його основі, належить провідне місце в техніці сучасного та майбут­нього. Метали на відміну від інших ма­теріалів можуть витримувати місцеву пластичну дефор­мацію без руйнування і навіть з одночасним само зміцненням. В матеріалах, нездатних до пластичної дефор­мації, місцеве перевантаження призводить до утворен­ня тріщин та руйнування.

Здатність до пластичної деформації та наклепу обу­мовлена особливостями будови гратки металів, які ма­ють вільні узагальнені електрони. Якщо який-небудь ма­теріал буде мати такі властивості, то він стане металом зі всіма випливаючими з цього наслідками.

Фізико-хімічна механіка матеріалів вивчає вплив ня їх фізико-механічні властивості .різних середовищ — яь зовнішніх, так і тих, що знаходяться всередині матеріа­лу. Існує два уявлення про цю науку: перше кладе в ос­нову зміни механічних властивостей лише під впливом зниження поверхневої енергії твердого тіла в результат^[I] адсорбції середовища, друге — враховує не тільки вплив середовища, яке знижує поверхневу енергію, а також здатність середовища розчиняти тверде тіло, утворюва­ти з ним нові хімічні сполуки і системи гратки шляхом втілення або заміщення. Ми додержуємося другої точки зору.

Дослідження з фізико-хімічної механіки матеріалів інтенсивно розвиваються як в теоретичному, так і в практичному напрямах в ряді наукових центрів нашої країни — Інституті фізичної хімії АН СРСР, Московсь­кому державному університеті ім. М. В. Ломоносова, Фізико-механічному інституті АН УРСР (ФМІ АН УРСР), Інституті загальної та неорганічної хімії АН УРСР та ін. За кордоном ці питання вивчаються Ростокером, Вестівудом та їх співробітниками (США), Долемором (Англія), Клаусом (Франція), а також ученими інших країн. П. О. Ребіндер так визначив завдання цього нового наукового напряму: «Фізико-хімічна механіка - наука, яка встанов­лює залежність механічних властивостей тіл від їх хі­мічного складу та структури, від фізико-хімічних факто­рів: температури, адсорбційного та хімічного впливу зовнішнього середовища та ін. При цьому слід врахува­ти і характер дії зовнішніх сил, особливостей напруже­ного стану, який виникає :в даному тілі, його інтенсив­ність і час дії».

Фізико-хімічна механіка матеріалів включає розділи механохімії та реології — науки про ненапружену пове­дінку тіл. Дослідження впливу поверхнево-активних середовищ на міцність та деформування твердих тіл показали, що вплив адсорбції можна спостерігати при певних опти­мальних значеннях швидкостей деформації, певній кон­центрації поверхнево-активних речовин, певних об’ємно-напружених станах і розвитку в процесі деформації ме­режі поверхневих ультрамікротріщин, які проникають на достатню глибину і розміщуються в певному напрям­ку по відношенню до силового потоку, тощо.

Проте ряд досліджень адсорбційного ефекту полег­шення деформації та руйнування твердих тіл, проведе­них зарубіжними вченими, мав позитивний результат. Треба згадати роботи відомого англійського фізика Андраде та його співробітників. Своїми дослідами вони під­твердили наявність значних адсорбційних ефектів, однак намагалися пояснити їх адсорбційним впливом поверхне­во-активних речовин на окисну плівку, яка покриває пе­реважно поверхню металу .

Суперечка, яка виникла через пояснення цих явищ, в наш час вирішена на користь радянської школи останні­ми роботами П. О. Ребіндера та його співробітників по електрокапілярному ефекту ¹ та роботами відомого ні­мецького металофізика Г. Мазінга та його колег], які старанно проведеними дослідами (зокрема з благо­родними металами) повністю підтвердили висновки та уявлення радянських вчених і відкинули пояснення Андраде.

Найважливішою проблемою фізико-хімічної механі­ки матеріалів є розробка методів одержання нових ма­теріалів з наперед заданими властивостями, а також підвищення стійкості, довговічності та міцності існую­чих матеріалів при одночасній дії на них механічних напружень та активних робочих середовищ. Спільним для вказаних вище проблем є завдання теоретичного аналізу процесів деформації та руйнування твердих тіл, які зізнають дії активних середовищ та зовнішніх наван­тажень, що дасть можливість знайти загальні принципи керування фізико-хімічними властивостями конструкцій­них матеріалів та розробити нові методи розрахунку елементів інженерних конструкцій на міцність, довго­вічність та стабільність.

Сучасний стан галузей науки, суміжних з фізико- хімічною механікою, зокрема фізики твердого тіла, фізичної хімії, механіки суцільного середовища та термодинаміки нерівноважних процесів, сприяє розвитку ана­літичних методів у фізико-хімічній механіці. Мета теоретичних досліджень такого роду — кількісно визначити вплив фізико-хімічних факторів на процеси деформації та руйнування реальних твердих тіл. Щоб вирішити ці завдання фізико-хімічної механіки матеріалів, слід сформувати нові розрахункові моделі механіки суцільного середовища, які відображають взаємозв’язок та взаємо вплив механічних і немеханічних форм руху матерії.

Механічні властивості металів (міцність, пластич­ність, стійкість проти спрацювання та оброблюваність) фізико-хімічна механіка вивчає при впливі адсорбційно-активних, корозійно-агресивних та радіаційних середо­вищ, а також середовищ, які сприяють ерозійним та ка­вітаційним пошкодженням металу чи впливають на них через дифузійні процеси, що викликають розчинення металу або утворення з ним нових хімічних сполук чи твердих розчинів.

При одночасній дії механічного навантаження та активних робочих середовищ, особливо при підвищених температурах та тисках, великий вплив на результати механічних досліджень має фактор часу, тобто швид­кості та прискорення навантаження і формування, тривалість та частота навантаження і пауз. При виз­наченні механічних властивостей металів у робочих се­редовищах, незважаючи на проведення дослідів здава­лося б в ідентичних умовах, спостерігається велика розбіжність експериментальних даних. Це свідчить про відсутність у методі досліджень необхідних критеріїв, які б дозволяли одержувати порівненні результати.

Вплив середовища на тверді тіла відбувається через поверхню тіла, тому фізико-хімічна механіка вивчає стан поверхні та її можливий вплив на фізико-хімічні явища, вплив виду обробки, який обумовлює якість по­верхні виробу, на механічні характеристики металу. Факторами впливу середовища на тіло є також дефек­ти тіла, через які середовище може взаємодіяти із знач­ними його об’ємами. Вивчення дефектів та їх розвитку при деформації — ще одне важливе завдання фізико- хімічної механіки.

Взаємодія середовища та металу потребує певної енергії активації. Деформація може дати металу цю енергію, тому фізико-хімічна механіка вивчає взаємо­дію середовища з металом, по-різному активованим деформацією, а саме в ненапруженому стані, попередньо напруженому та в процесі деформації.

Дослідження [1, 3] показали, що в процесі деформа­ції, особливо в пружно-пластичній зоні, вплив робочих середовищ на фізико-механічні властивості металу ви­являється значно вищим, ніж цей же вплив на ненапружений метал. За допомогою деформації можна приму­сити дифундувати в твердий метал майже всі рідкі легкоплавкі метали, які раніше вважалися недифундуючими. В процесі деформації значно прискорюється наводнювання сталі; воно відбувається майже за де­кілька хвилин і уражає ті частини металу, які зв’язані з концентрацією вакансій та дислокацій в площинах зсувів. Було показано, що в процесі деформації явища електрохімічної корозії відбуваються набагато активні­ше, ніж на ненапруженому металі.

Вид деформації також впливає на взаємодію се­редовища з деформованим металом, тому фізико-хіміч­на механіка вивчає вплив різних видів деформації і ве­личини напружень на механічні властивості металу в різних середовищах.

Структурно-механічні властивості металів та їх ча­сові залежності є основною характеристикою експлуа­таційних властивостей металів та сплавів, що пояснює­ться тісним зв’язком структури з їх механічними влас­тивостями. При цьому під структурою матеріалу слід розуміти не лише будову кристалічної гратки, а й дис­персність кристалів (зерен), їх текстуру, розподіл де­фектів (пор і тріщин) в металі. При механічному на­вантаженні відбувається зміна структурно-механічних властивостей, в першу чергу внаслідок збільшення де­фектів та виникнення і перерозподілу вакансій та дис­локацій в зерні. Ці зміни особливо впливають на фізико-механічні властивості металів при довгочасних сило­вих навантаженнях та змінах температури.

В процесі деформації відбувається нерівномірний розподіл по об’єму виробу напружень, які визначають напрямок дифузії розчинених в металі елементів та де­фектів типу вакансій і дифузії з зовнішнього середови­ща. Остання може викликати утворення нових хімічних сполук або твердих розчинів, які будуть мати вже інші механічні властивості, ніж основний матеріал. Фізико- хімічна механіка вивчає вплив дифузійних та супрово­джуючих їх хімічних та фізичних процесів на механічні властивості металів і сплавів.

При тривалій експлуатації деталей машин важливо, щоб метал незначною мірою змінював свої фізико-хімічні властивості, тобто був стабільним у часі. Для ба­гатьох металів, як показали наші дослідження, існують критичні напруження, нижче яких властивості металу залишаються практично незмінними — стабільними. При напруженнях, вищих за вказані критичні, наступає ефект інтенсивної зміни властивостей металів, що не­допустиме в умовах експлуатації. Стабільність металів при навантаженні в робочих середовищах — це крите­рій їх експлуатаційної надійності, вивчення якої є од­ним з нових напрямків, що входять у фізико-хімічну ме­ханіку матеріалів [1].

З усіх видів впливу середовища найбільш загаль­ним та універсальним, властивим для багатьох актив­них середовищ, є адсорбційний вплив. Адсорбція по­верхнево-активних складових середовища на поверхні твердого тіла або всередині його на поверхнях дефек­тів викликає ефект Ребіндера, який сприяє диспергу­ванню, а при максимальному зниженні поверхневої енергії викликає пептизацію твердого тіла — його роз­пад на частинки колоїдних розмірів без прикладення напружень. Ефект Ребіндера проявляється також і в адсорбційній втомі матеріалів.

При механічній обробці металів, тиском (штампу­ванні, волочінні, глибокій витяжці і т. п.), різанні, шлі­фуванні та поліруванні, тонкому подрібненні, бурінні гірських порід та багатьох інших технологічних проце­сах використовується адсорбційний ефект Робіндера, для чого застосовують спеціальні поверхнево-активні мастила, охолоджуючі та інші технологічні рідини. Це значно підвищує якість продукції, продуктивність праці та стійкість інструмента, а також знижує питому витра­ту енергії на одиницю виготовленої продукції.

Використання поверхнево-активних речовин дає можливість на час обробки докорінно змінювати меха­нічні властивості твердих тіл — підвищувати їх плас­тичність або знижувати міцність та викликати крих­кість, полегшувати тонке подрібнення; при наступному зниженні кількості цих речовин вихідні механічні влас­тивості матеріалів відновлюються.

Найбільш поширеним видом робочих середовищ, які сильно впливають на міцність деталей машин, апа­ратів та устаткування, є корозійні середовища — пере­дусім вода та вологе повітря. Електрохімічна корозія, спричинена цими середовищами, зв’язана з наявністю гетерогенності багатьох металів; корозійні процеси най­частіше зумовлюються наявністю в об’ємі однієї деталі електрохімічної неоднорідності гальванічних мікропар. Електродами цих мікропар можуть бути ділянки чисто­го металу та чужорідні включення в ньому, різні струк­турні складові металу, деформовані або забруднені ді­лянки металу і т. п. Тому фізико-хімічна механіка ма­теріалів вивчає гетерогенність металу та його забруд­неність неметалевими включеннями, як фактори, що обумовлюють корозію.

Само собою розуміється, що в завдання цієї науки входять розробка методів підвищення механічних властивостей в робочих середовищах та боротьба з негатив­ним впливом останніх на міцність та довговічність ме­талів. Закони фізико-хімічної механіки матеріалів тре­ба брати до уваги при вирішенні ряду завдань інже­нерної практики по вдосконаленню існуючих техноло­гічних процесів та створенню нових способів обробки і разом з металургією та металознавством створювати нові сплави, які найбільше відповідатимуть наперед за­даним механічним властивостям.

Велику перспективу має електрошлаковий переплав при одночасному застосуванні ультразвуку та барботу­ванні розплаву деякими газами. При цьому метал очи­щується, кристалізується і застигає. Для одержання ме­талів та сплавів з високими механічними властивостями велике значення має плавка металу у вакуумі та плав­ка із застосуванням електронно-променевих установок, причому 'використання у даному випадку ультразвуку, а також деяких модифікаторів дозволить ще більше вдосконалити ці процеси.

Термічна обробка із застосуванням ультразвуку, а також термомеханічна обробка, яка базується на мартенситному перетворенні в насиченому дислокаціями аустеніті, термохіміко-механічна та механіко-термічна обробки дозволяють одержувати високоміцні та довго­вічні сталі і сплави. Це стосується і механічної оброб­ки, за допомогою якої ми вже одержали суцільні «білі нетравлені шари» на виробі, які підвищили корозійно-втомну міцність на цілий порядок.

Термомеханічна обробка передбачає пластичну де­формацію, одночасну з процесом термообробки. Термохіміко-механічна обробка передбачає одночасне дифу­зійне насичення сталі неметалевими або металевими ре­човинами, пластичну деформацію та термічну обробку сталі. Механіко-термічна обробка зв’язана з холодною пластичною деформацією з наступною термічною об­робкою. Всі ці види обробки за рахунок збільшення щільності дислокацій та їх сприятливого розподілу значно підвищують міцність та довговічність сталі, особливо в активних середовищах.

«Білі нетравлені шари» з’являються смугами на за­гартованій високовуглецевій сталі в процесі її різання, шліфування, тертя. Вони міцні, тверді і стійкі проти дії' активних середовищ, складаються переважно з голчастого мартенситу з великою кількістю залишкового аустеніту. Наявність на виробі смужок з «білих шарів» робить виріб бракованим, а суцільні «білі шари» па по­верхні виробу підвищують його експлуатаційні власти­вості .

Деформацію на певній потрібній глибині зливка ме­талу можна створити ультразвуком. Використання ультразвуку базується на підведенні пружних коливань безпосередньо до оброблюваної деталі або через ото­чуюче її середовище (воду, масло, емульсію, розплавле­ний метал чи сіль), чи введенні звуку у виріб через жорсткий контакт з хвилеводом. Можна також без­контактно озвучувати оброблюваний виріб, помістивши його в змінне електромагнітне поле.

Проходження ультразвуку через метал супроводжу­ється рядом залишкових ефектів, таких як інтенсивний нагрів зразків аж до їх розплавлення, поява слідів за­лишкової деформації, нагромадження втомних змін в структурі і навіть втомне руйнування. Оскільки ультра­звуковий вплив на метал і сплави супроводжується по­явою в структурі слідів пластичної деформації, одно­часно з ультразвуком можна використати термічну об­робку, результати якої аналогічні результатам термо­механічної або механіко-термічної обробки.

Перспективною є гідроекструзія металу (гідроста­тичне пресування), характерною особливістю якої є створення у цілому об’ємі металу значних напружень всебічного стиску. При тисках 15 000 - 25 000 дан/мм² сталь стає настільки пластичною, що її відносне зву­ження досягає 99 %, відносне звуження броньової сталі (НВ234) дорівнює 58 %, сірого чавуну — близько 30%, кам’яної солі — 20 %, мармур дає пластичне видовжен­ня близько 25 %. Ці звуження або видовження супро­воджуються значним підвищенням міцності.

Електронно мікроскопічне дослідження гідроекструдованого металу показало, що із збільшенням ступеня обтиску відбувається спочатку коагуляція та укрупнен­ня вихідної структури, а потім інтенсивне дроблення і розпад пересиченого твердого розчину. Неметалеві включення подрібнюються, диспергуючись до величин, які, очевидно, є перешкодами для руху дислокацій. Та­ким чином, відбувається ніби легування металу неме­талевими включеннями, які, роздроблюючись до розмірів атома, включаються у міжвузол гратки, затримую­чи рух дислокацій. Значно підвищується міцність мета­лу, особливо циклічна та контактна витривалість.

Пояснення текучості крихких кристалічних тіл при всебічному високому тиску, який досягає декількох тисяч атмосфер (переважно створюваним поверхнево активним середовищем типу мастил), полягає у «видавлюванні» дислокацій на поверхню крихкого тіла, що робить його пластичним. Можна примусити текти граніт та мармур, не кажучи вже про крихку загартова­ну сталь.

Розрахунок деталей машин, механізмів та устатку­вань конструктори проводять поки що, знаючи лише одну інженерну дисципліну - опір матеріалів. Проте нові умови експлуатації цих деталей при високих та низьких температурах і тисках, а також при впливі ро­бочого середовища змінюють поведінку металів в по­рівнянні з їх поведінкою на повітрі. До цього часу ко­ристувалися для своїх розрахунків характеристиками матеріалів, знайденими при нормальних тисках і темпе­ратурах на повітрі. Ці характеристики докорінно змі­нюються в експлуатаційних умовах (вплив середовища, температури і тиску), під впливом масштабу та форми виробу, виду та інших характеристик деформації.

В розрахунках на міцність зміна механічних характе­ристик враховується знайденими експериментально кое­фіцієнтами впливу середовища, масштабу, форми виро­бу та різних експлуатаційних факторів. Інших методів розрахунку на міцність та втому в робочих середови­щах поки що немає, і завданням фізико-хімічної меха­ніки матеріалів є винайдення цих коефіцієнтів та вста­новлення їх залежності від зовнішніх умов. Вплив на міцність вказаних експлуатаційних факторів неадитивний і в сукупності вони інколи взаємно послаблюються або посилюються, що слід завжди мати на увазі.

Вказані коефіцієнти треба визначати по можливості в умовах, найбільш наближених до експлуатаційних.

У зв’язку з цим необхідно дослідити зразки, які повинні мати таку ж термічну і механічну обробку і бути у відповідному структурно-напруженому стані, тобто мати таку ж структуру та залишкові напруження, як і ма­теріал виробу. У випадку наявності концентраторів на­пружень на виробі досліджують зразки з концентрато­рами подібного виду.

Випробувальні машини, які використовують при дослідженнях у фізико-хімічній механіці, повинні забез­печувати такий самий вид навантаження зразків, який матиме метал при його експлуатації; досліджувані зразки необхідно навантажувати при таких же темпера­турах, тисках і в таких самих середовищах, в яких буде експлуатуватися метал виробу, причому слід врахувати рух та переміщення середовища. Якщо необхідно вста­новити властивість необробленого металу в особливих умовах навантаження та фізико-хімічного впливу сере­довища, зразки повинні бути необроблені, щоб не змі­нилася якість металу, а випробувальні машини повинні працювати за програмованим завданням.

Розвиток науки і техніки висуває завдання створен­ня машин та апаратів обмеженого терміну служби. Ве­ликого значення при цьому набуває максимальне змен­шення ваги конструкції у зв’язку із специфічними умо­вами їх експлуатації. Конструювання таких апаратів і машин повинно проводитися з урахуванням можливості роботи окремих вузлів та деталей в умовах пружно- пластичного деформування при обмеженій довговічності до руйнування, тобто в умовах статичних та циклічних напружень за границею пружності або близьких до неї.

До цього часу дослідження впливу різних факторів на довговічність у таких умовах проводили в основно­му на повітрі, хоч в цих випадках вплив середовищ був переважаючим (розтріскування та малоциклова втома). Ці фактори вивчені ще надто мало, незважаю­чи на те, що вказані явища найчастіше зустрічаються саме при ескплуатації деталей машин та апаратів хі­мічного машинобудування та суднобудування, напри­клад, корозійна втома суднових конструкцій, глибоко­водних апаратів тощо.

Одні тільки знання про опір матеріалів у цьому ви­падку не можуть допомогти в розрахунку, тому треба вдаватися до експериментальних досліджень. Основною метою статичних та малоциклових досліджень є визна­чення впливу середовища в умовах навантаження ма­теріалу за границею текучості, коли рух дислокацій та вакансій досягає максимального значення, а модель твердого тіла, якою користувалися спеціалісти з теорії пружності, зовсім непридатна. У цьому випадку важ­ливим є вивчення моделі пружно-пластично деформованого твердого тіла. Такі моделі існують, варто лише згадати моделі Прагера та Мазінга.

Рисунок 1.1 ‑ Найбільша в світі дослідна машина безінерційиого типу на чистий згин при обертанні зразків діаметром 200-350 мм у робочому середовищі.

У Фізико-механічному інституті АН УРСР створено ряд випробувальних машин та методик визначення впливу різних середовищ на фізико-механічні власти­вості матеріалів, що перебувають в силовому полі до і після границі текучості. Одна з таких машин показана :на рис. 1.1. Серія цих машин дозволяє, наприклад, дос­ліджувати на втому при чистому згині з обертанням зразка діаметром 3—300 мм (рис. 1.2). На рис. З показа­ні зразки для дослідження листової сталі на малоциклову втому в середовищі. Створені випробувальні ма­шини призначені для дослідження у рідкометалевому та газовому середовищах при високих та низьких темпера­турах.

Виготовлені також машини для натурних випробу­вань. Такі дослідження дуже дорогі та трудомісткі, але вони дають повну інформацію про втому в середовищі та засоби, необхідні для одержання довговічного і міцного виробу. На рисунок 1.4 показана випробувальна ма­шина для натурних випробувань бурильних штанг, які працюють на циклічний згин з крученням в глинистому розчині. Визначено, що додавання до глинистого розчи­ну деяких інгібіторів дає досить позитивний ефект.

Рисунок 1.2 ‑ Зразки для дослідження сталі на втому від чистого згину

Рисунок 1.3 ‑ Зразки для дослідження листової сталі на малоциклову втому

В інституті розроблена методика для визначення впливу середовища на міцність металу, яка використо­вує ефект масштабу. Нитка або фольга з досліджувано­го металу різного перерізу деформується в середовищі, і у випадку підвищення міцності при збільшенні перері­зу можна вважати, що середовище знеміцнює метал, у протилежному випадку — навпаки.

Рисунок 1.4 ‑Дослідна машина для натурних досліджень бурових штанг у глинистому розчині.

Адсорбційний вплив встановлюється дослідами з ме­талевими пластинами, що мають штучно виведені трі­щини (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 ‑ Схема пластини для зв’язування адсорбційного ефекту Ребіндера

Для характе­ристики крихкого руйнування без­конечної ширини пластини, ослабленої наскрізною ізольо­ваною тріщиною, що перебу­ває у рівновазі під дією розтягуючої сили, яка при досягненням деякого критичного значення тріщина починає поширюватися у перерізі в залежності від рів­ня поверхневої енергії твердого тіла (рис. 1.5), отримана формула для визначення критичної сили

, (1.1)

де — енергія руйнування (ефективна поверхнева енер­гія квазікрихкого матеріалу); — коефіцієнт Пуасcона; Е — модуль Юнга; h — товщина пластини; Р_к — критич­не значення сили; L_к — критична довжина тріщини.

В цій формулі ефективна поверхнева енергія (енер­гія руйнування) складається з двох складових, де — дійсна поверхнева енергія і — енергія, поглинута в основному пластичною деформацією. Для крихких ма­теріалів це дві складові одного порядку, в той час як для пластичних другий член на порядок (і більше) ви­щий від першого. Енергія руйнування залежить, таким чином, від поверхневої енергії, і для крихких тіл її можна визначити, дослідивши зміну Р_k/L_к у зв’язку зі зміною адсорбційної активності середовища, тому що в формулі, яка визначає , перший множник постійним для даного експерименту.

Ця методика дала змогу вперше наочно продемон­струвати ефект адсорбційного полегшення росту тріщини (ефект Ребіндера). Скориставшись нею, І. І. Василенко одержав цікаві дані про адсорбційний ефект Ребін­дера в газоподібних середовищах. Метал, у якому по­винна рости тріщина, попередньо насичували радіоак­тивним ізотопом вуглецю (С¹⁶). При аналізі розчину (зневоднених спиртів знекисненої води), в якому про­водили розтяг пластини з тріщиною, не виявлено слідів радіоактивного вуглецю. Це дало можливість вияснити питання про природу корозійного розтріскування. До цього часу вважали, що розвиток тріщини спричинює­ться електрохімічним або хімічним розчиненням мета­лу (в вершині тріщини), активованого напруженнями. Якщо б ці гіпотези були вірними, то при розвитку трі­щини в середовище переходили б радіоактивні ізотопи вуглецю з металу. Але цього не спостерігалося. Таким чином, визначено, що корозійне розтріскування високо­міцних сталей у різних середовищах значно полегшує­ться адсорбційним впливом середовища.

Крім описаного теоретичного методу, який застосо­вують, для нових досліджень з фізико-хімічної механіки, можна ще згадати про розроблену в ФМІ АН УРСР методику визначення напружень другого роду в середо­вищі за допомогою визначення електродних потенціа­лів, які повністю корелюють з напруженнями в межах пружності. Цим методом можна дослідити розподіл напружень біля мікроскопічних включень. У такому ви­падку зразок з включенням піддають навантаженню в електроліті, а величина електродних потенціалів біля включення добре ілюструє напруження.

Одним з найважливіших методів дослідження фізико-механічних властивостей металів та сплавів є фрак­тографія яка ставить перед собою мету вивчення по­верхонь зломів, одержаних при дії різних навантажень та робочих середовищ.

Макродослідження зломів використовуються для оцінки характеру руйнування порівняно давно, проте тільки починаючи з 50-х років для вивчення по­верхонь зломів використовують електронний мікроскоп. За останні роки електронна фрактографія перетвори­лася у важливий інструмент вивчення елементарних актів процесу руйнування.

У ФМІ АН УРСР електронну фрактографію успішно застосовують для вивчення специфіки руйнування мета­лів у робочих середовищах. На основі ана­лізу електронних фрактограм з використанням статис­тичного методу досліджено мікромеханізм сповільнено­го росту тріщин у загартованих сталях, що дозволяє дати оцінку механізму адсорбційного полегшення поши­рення тріщин.

Враховуючи вище наведене, перед фізико-хімічною механікою матеріалів ставляться наступні завдання, які мають велике наукове наукове та народногосподарське значення.

1) Вивчення впливу силового поля та середовища на фізико-механічні властивості металів (їх механічні та електромагнітні властивості), особливо за границею текучості.

2) Нагромадження дослідних даних про роботу в се­редовищах металів у пружно-пластичній та пластичній зонах і на основі цих даних створення методів розра­хунку на міцність та довговічність.

3) Вивчення впливу дифузійних процесів та супро­воджуючих їх фізико-механічних змін у металах і впли­ву на процеси деформації та руйнування до і після границі текучості.

4) Вивчення взаємодії чужорідних атомів та іонів з дефектами кристалічної гратки металу та сплаву в процесі їх пружної та пластичної деформації.

5) Дослідження пружної і пластичної деформації та руйнування металів і сплавів в умовах високих та низьких температур і тисків та впливу оточуючих сере­довищ (статична, втомна та контактна міцність, плас­тичність, щільність енергії руйнування, корозійна стій­кість під напруженням, ерозійні та кавітаційні явища).

6) Дослідження впливу водню (та його стану в ме­талі) на фізико-механічні властивості металу.

7) Дослідження спільного впливу випромінювань ве­ликих та малих потужностей і робочих середовищ на механічні властивості металів.

8) Дослідження впливу структури, забруднень та мікронеоднорідностей металу в процесі руйнування у загальному випадку напруженого стану. Визначення структурно-часових параметрів міцності та стабільнос­ті металів.

9) Дослідження необоротних явищ, викликаних де­формацією в металах і сплавах при статичних та дина­мічних навантаженнях, особливо в активних середовищах (гістерезис, внутрішнє тертя, післядія, низькотемпера­турна повзучість та релаксація) й їх зв’язки з ста­тичною та циклічною міцністю металів, тобто дослід­ження завдань реології - одного з розділів фізико-хі­мічної механіки матеріалів.

10) Дослідження стану поверхні, технологічних фак­торів, концентрації напружень, масштабного фактору та ін. при одночасному впливі активних середовищ на міцність деталей машин та елементів конструкцій.

11) Дослідження деформованого стану, фізичних і хімічних процесів у зоні контакту твердих тіл при їх терті та спрацюванні.

12) Пошуки і розробка нових фізико-хімічних мето­дів поверхневого та наскрізного зміцнення металів, роз­робка нових технологій для одержання матеріалів з на­перед заданими властивостями.

13) Дослідження полегшення механічної обробки матеріалів тиском, різанням та подрібненням з допо­могою впливу активних середовищ.

14) Підбір матеріалів, найбільш пристосованих для роботи в даних активних середовищах, які можуть пе­ребувати при високих або низьких температурах і тис­ках, у русі, опромінюватися, визначення для цих мате­ріалів необхідних розрахункових коефіцієнтів впливу середовища та інших експлуатаційних факторів.

15) Розробка теорії та конструкції нових випробу­вальних установок, машин та устаткування для вивчен­ня пластичної, статичної, втомної та контактної міцнос­ті матеріалів деталей машин при високих та низьких температурах і тисках в умовах складного навантажен­ня та дії середовища. Розробка нових методик та апа­ратури для дослідження матеріалів при програмуванні навантаження, нагріві, дії середовища і т. п.

Контрольні запитання

1.1 На чому базується гіпотеза про однорідність та ізотропність матеріалів.

1.2 Як розглядає матеріал гіпотеза про суцільність твердих тіл?

1.3 Що таке адсорбція?

1.4 Як впливає адсорбція на властивості матеріалів?

1.5 Що підвищує внутрішню енергію металу?

1.6 Як впливає середовище на метали та сплави?

1.7 Завдання, що ставляться перед фізико-хімічною механікою матеріалів.

2 КРИСТАЛІЧНА БУДОВА МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ, ЯКА ОБУМОВЛЮЄ ЇХ МІЦНІСТЬ

2.1 Про вплив дефектів кристалічних ґраток на міцність

Передусім нагадаємо, що метали і сплави належать до кристалічних твердих тіл, які характеризуються пра­вильним розміщенням атомів у просторових гратках. Для металів найбільш властиві такі види граток:

1) кубічні гранецентровані: атоми розташовуються у вершинах куба і в центрах бокових граней. Такий тип граток мають алюміній, -залізо, мідь, -нікель, олово, свинець, іридій, срібло, золото, платина;

2) кубічні об’ємноцентровані: крім атомів у верши­нах куба, є ще й атом у його центрі ( -залізо, ванадій, вольфрам, барій, магній, молібден, хром);

3) гексагональні (берилій, -кобальт, магній, -нікель, цинк, кадмій, талій, титан, цирконій). Тут пер­винною ланкою є призма з шестикутною основою; ато­ми розміщені по всіх вершинах, а також у центрах основ.

Слід відзначити, що вид кристалічних граток зумов­лює відмінності фізико-хімічних властивостей монокрис­тала металу від полікристала цього ж металу. Різниця у поведінці монокристалів і полікристалів особливо ве­лика у металів з гексагональними гратками, тоді як у металів з кубічними гратками, де є декілька рівноцін­них систем ковзання, відмінності механічних властивос­тей моно- і полікристалів не такі вже й значні.

Лінійний розмір (період граток) первинної, комірки кристала металу становить 2,5 ‑ 9 А. Кристали спонтан­но прагнуть до збільшення, оскільки це відповідає їх термодинамічній умові рівноваги при мінімумі вільної енергії.

Метали звичайно кристалізуються в щільній упаков­ці. В металічних гратках атоми зв’язані так званим металічним зв’язком, який, як припускають, має електро­статичний характер. Зовнішні електрони металічних атомів слабо зв’язані з ядром і можуть легко покинути свій атом і перейти до сусіднього атома граток. Таким чи­ном, метал складається з легкорухливих атомів і більш стійкого каркасу (граток), зібраного з позитивно заря­джених іонів металу. Вільні електрони обумовлюють електро- і теплопровідність металу. Іони граток перебу­